CN0179: 4-20 mA低功耗、14位、过程控制电流环路发送器

精确设计,严谨验证,即取即用。了解更多

概览

电路笔记PDF, 01/2011 (pdf, 339 kB)
下载英文版PDF, 01/2011 (pdf,  156kB)
优势和特点
  • 低功耗4-20mA电流环路
  • 12、14或16位数字控制
  • 用于可编程逻辑控制器中
此电路中所用产品
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
  • 现场仪器仪表和智能发送器
设计资源
设计和集成文件
  • 原理图
  • 物料清单
  • Gerber 文件
  • PAD 文件
  • 装配图
Download Design Files (879 kB)
设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

电路功能与优势

图1所示电路是一个4 mA至20 mA电流环路发送器,用于过程控制系统与其执行器之间的通信。除具有高性价比外,此电路还是业界功耗最低的解决方案。4 mA至20 mA电流环路广泛用于采用数字或模拟输入输出的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。电流环路接口之所以颇受青睐,是因为它能以高性价比方式进行长距离抗扰数据传输。低功耗双通道运算放大器AD8657 、DACAD5621和基准电压源ADR125 的组合,可以为微控制器和数字隔离器等更高功耗器件提供更多功耗预算。此电路输出电流为0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范围一般对应表示DAC或微控制器的输入控制范围,0 mA至4 mA的输出电流范围则常用于诊断故障条件。

12位、5 V AD5621需要75 μA的电源电流(典型值)。AD8657是一款轨到轨输入/输出双通道运算放大器,而且是目前业界功耗最低的放大器之一(在整个电源电压和输入共模范围内,其耗电流为22 μA),工作电压最高可达18 V。ADR125是精密微功耗5 V带隙基准电压源,仅需要95 μA电源电流。这三个器件总共消耗192 μA的电源电流(典型值)。

图1. 低功耗4 mA至20 mA过程控制电流环路(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

对于工业和过程控制模块,4 mA至20 mA电流环路发送器用作控制单元与执行器之间的通信手段。12位DAC AD5621位于控制单元,根据输入代码产生0 V至5 V之间的输出电压VDAC。代码通过SPI接口设置。输入代码与输出电压之间的理想关系可用下式表示:

equation
其中:

VREF为ADR125的输出电压和AD5621的电源电压。
D是载入AD5621的二进制代码的十进制等效值。

DAC输出电压设置流过检测电阻RSENSE的电流:

equation

流过RSENSE 的电流作为VDAC 的函数在0 mA至2 mA范围内变化。此电流会在R1两端产生一个电压,并设置AD8657放大器(A2)的同相输入端电压。A2 AD8657使环路闭合,并将反相输入端电压拉至与同相输入端相同的电压。因此,流过R1的电流以10倍的系数镜像到R2。这可以通过公式3表示:

equation

VDAC 的范围为0 V至5 V,因此该电路产生的电流输出范围为0 mA至20 mA。

AD5621是一款12位DAC,属于 nanoDAC 系列,采用基准电压源ADR125的5 V输出电压工作。它有一个片内精密输出缓冲器,该缓冲器能够提供轨到轨输出摆幅,因此其动态输出范围非常高。电源电压为5 V时,AD5621消耗的电源电流为75 μA(典型值)。

此外,本电路解决方案需要一个轨到轨输入放大器。双通道运算放大器AD8657是绝佳选择,具有低功耗和轨到轨特性。在额定电源电压和输入共模电压范围内,该运算放大器的工作电源电流为22 μA(典型值)。它还提供出色的单位电流噪声和带宽性能。AD8657是功耗最低的放大器之一,工作电源电压最高可达18 V。

ADR125是一款精密、微功耗、低压差(LDO)基准电压源。输入电压为18 V时,静态电流仅95 μA(典型值)。之所以首选LDO基准电压源,是因为它能使从控制单元到执行器的环路电线承受更多压降。为了保持稳定,ADR125的输出端需要一个0.1 μF小电容。另外再并联一个0.1 μF至10 μF电容可以提高负载瞬态响应性能。虽然输入电容不是必需的,但建议使用。输入端可以串联一个1 μF至10 μF的电容,以改善电源电压突然变化时的瞬态响应性能。再并联一个0.1 μF电容同样有助于降低电源噪声。

还需要旁路电容(图1中未显示)。本例中,每个双通道运放的每个电源引脚上都应有一个10 μF钽电容与一个0.1 μF陶瓷电容并联。有关正确去耦技巧的详细说明,请参考教程 MT-101

该电路解决方案输出0 mA至20 mA的电流。图2显示在250 Ω负载电阻中测得的电路输出电流。图3所示为输出电流误差图。

图2. 0 mA至20 mA输出电流
图3. 输出电流误差图

常见变化

对于14位或16位分辨率的解决方案,请考虑采用AD5641 or AD5662,。16 V CMOS运算放大器ADA4665-2 是另一个选择,可以代替AD8657。它的性价比更高,电压噪声更低,但缺点是电源电流较高。

针对此类应用选择放大器时,务必确保不要超出输入共模电压和电源电压范围。

对于更高的电源电压,请考虑采用基准电压源ADR02 ,其工作电源电压最高可达36 V。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5621 2.7V至5.5V、小于100 µA、12位nanoDAC®,SPI接口,采用LFCSP和SC70封装 AD5621BKSZ-500RL7 AD5621AKSZ-500RL7 AD5621ACPZ-RL7 AD5621AKSZ-REEL7
AD8657 18V、22µA、45NV/√HZ、精密、RRIO、双通道运算放大器 AD8657ARMZ AD8657ACPZ-R7
ADR125 采用TSOT封装的微功耗、LDO精密基准电压源(5.0 V输出)

欲获取样片,请 联系ADI公司

沪ICP备09046653号
评价这款电路 X
content here.
content here.

评价这款电路

关闭